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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausdehnen des Mittellastbereiches
eines Motors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung,
und insbesondere die Verwendung einer Öffnungsdrosselung als eine
Alternative für
eine externe Abgasrückführung (AGR), um
etwas von der Wärmeenergie,
die zu den internen Resten gehört,
die für
eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
und Ladungsverdünnung
benötigt
werden, zu dissipieren.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Zur
Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Benzinverbrennungsmotoren
ergibt eine verdünnte
Verbrennung unter Verwendung von entweder Luft oder rückgeführtem Abgas
(AGR) bekanntlich einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad und
geringere NOx-Emissionen. Es gibt jedoch infolge einer Fehlzündungs-
und Verbrennungsinstabilität
aufgrund einer langsamen Verbrennung eine Grenze, bei der der Motor
mit einem verdünnten
Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren zum Ausdehnen
der Verdünnungsgrenze umfassen:
1) das Verbessern der Zündfähigkeit
des Gemisches durch Erweitern der Zündungs- und Kraftstoffvorbereitung;
2) das Erhöhen
der Flammengeschwindigkeit durch Einleiten einer Ladungsbewegung
und Turbulenz; und 3) das Betreiben des Motors mit einer gesteuerten
Selbstzündungsverbrennung.
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Der
Prozess der gesteuerten Selbstzündung wird
manchmal als homogener Verdichtungszündungsprozess (von Homogeneous
Charge Compression Ignition oder HCCI-Prozess) bezeichnet. Bei diesem
Prozess wird ein Gemisch aus verbrannten Gasen, Luft und Kraftstoff
erzeugt, und es wird eine Selbstzündung gleichzeitig von vielen
Zündstellen aus
innerhalb des Gemisches während
der Verdichtung eingeleitet, was zu einer sehr stabilen Ausgangsleistung
und zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad führt. Die Verbrennung ist stark
verdünnt und
gleichmäßig durch
die Ladung hindurch verteilt. Die Temperatur des verbrannten Gases,
und somit die NOx-Emissionen, sind wesentlich niedriger als die
von herkömmlichen
fremdgezündeten
Motoren auf der Grundlage einer fortschreitenden Flammenfront und
von Dieselmotoren auf der Grundlage einer fixen Diffusionsflamme.
Sowohl bei Otto- oder Fremdzündungsmotoren
als auch bei Dieselmotoren ist die Temperatur des verbrannten Gases
innerhalb des Gemisches stark heterogen mit einer sehr hohen lokalen
Temperatur, die starke NOx-Emissionen erzeugt.
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Motoren,
die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
arbeiten, sind in Zweitakt-Benzinmotoren unter Verwendung eines
herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses
erfolgreich demonstriert worden. Man geht davon aus, dass der hohe
Anteil verbrannter Gase, der von dem vorhergehenden Zyklus verbleibt,
d.h. der Restinhalt, innerhalb der Brennkammer des Zweitaktmotors
dafür verantwortlich
ist, die hohe Gemischtemperatur bereitzustellen, die notwendig ist,
um eine Selbstzündung
in einem stark verdünnten
Gemisch zu fördern.
In Viertaktmotoren mit einem traditionellen Ventilmittel ist der
Restinhalt niedrig und die gesteuerte Selbstzündung bei Teillast ist schwierig
zu erreichen. Bekannte Verfahren, um eine gesteuerte Selbstzündung bei
niedriger und Teillast einzuleiten, umfassen: 1) Ansauglufterwärmung; 2)
variables Verdichtungsverhältnis;
und 3) Mischen von Benzin mit Zündungsförderern,
um ein leichter zündfähiges Gemisch
als Benzin zu erzeugen. In all den obigen Verfahren ist der Bereich
von Motordrehzahlen und -lasten, in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
erreicht werden kann, relativ schmal.
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Motoren,
die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
arbeiten, sind in Viertakt-Benzinmotoren unter Verwendung einer
variablen Ventilbetätigung
mit unkonventionellen Ventilmitteln demonstriert worden. Das nun
Folgende ist eine Beschreibung einer derartigen unkonventionellen
Ventilstrategien. Mit dieser Ventilstrategie wird ein hoher Anteil von
Restverbrennungsprodukten von vorhergehenden Verbrennungszyklen
zurückbehalten,
um die notwendige Bedingung für
eine Selbstzündung
in einem stark verdünnten
Gemisch bereitzustellen. Der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten,
in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
erreicht werden kann, wird unter Verwendung eines herkömmlichen
Verdichtungsverhältnisses
stark ausgedehnt.
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Es
ist ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors
offenbart worden, bei dem eine Verbrennung mindestens teilweise
durch einen Selbstzündungsprozess
erreicht wird. Eine Strömung
einer vorgemischten Kraftstoff/Luft-Ladung und verbrannter Gase
wird durch ein hydraulisch gesteuertes Ventilmittel geregelt, um
Bedingungen in der Brennkammer zu erzeugen, die für einen Selbstzündungsbetrieb
geeignet sind. Das verwendete Ventilmittel umfasst ein Einlassventil,
das eine Strömung
eines vorgemischten Kraftstoff/Luft-Gemisches aus einem Einlasskanal
in die Brennkammer steuert, und ein Auslassventil, das eine Strömung von
verbrannten Abgasen aus der Brennkammer in einen Auslasskanal steuert.
Das Auslassventil wird für
zwei getrennte Zeiträume
während
des gleichen Viertaktzyklus geöffnet.
Das Auslassventil wird für
einen ersten Zeitraum geöffnet,
um zuzulassen, dass verbrannte Gase aus der Brennkammer ausgestoßen werden können,
und für
einen zweiten Zeitraum, um zuzulassen, dass verbrannte Gase, die
vorher aus der Brennkammer ausgestoßen wurden, zurück in die
Brennkammer gesaugt werden. Das doppelte Öffnen des Auslassventils während jedes
Viertaktzyklus schafft die notwendige Bedingung für eine Selbstzündung in
der Brennkammer. Dies wird allgemein als eine Abgasrücksaug-Ventilstrategie
bezeichnet.
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Es
ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors
offenbart worden, bei dem eine Verbrennung mindestens teilweise
einen Selbstzündungsprozess
erreicht wird. Eine Strömung
von Luft und verbrannten Gasen wird durch ein hydraulisch gesteuertes
Ventilmittel geregelt, wie es oben ausführlich beschrieben wurde. Der
Kraftstoff wird jedoch durch eine Benzineinspritzvorrichtung direkt
in die Brennkammer abgegeben. Die Benzineinspritzvorrichtung injiziert
Kraftstoff entweder während des
Ansaugtaktes oder des nachfolgenden Verdichtungstaktes während eines
einzigen Motorzyklus.
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Im
Allgemeinen ist der Betrieb eines HCCI-Motors durch die Verbrennungsstabilität bei niedriger
Motorlast und durch den Druckanstieg im Zylinder oder die Amplitude
einer Druckschwingung bei einer Mittellastgrenze begrenzt. Ein zu
großer Druckanstieg
oder eine zu große
Druckschwingungsamplitude führt
zu einem durch eine Verbrennung erzeugten Geräusch, das Klingeln genannt
wird. Es ist experimentell herausgefunden worden, dass sowohl intern
als auch extern rückgeführtes verbranntes
Gas bei der Steuerung der Verbrennungsrate und somit des Druckanstiegs
wirksam ist. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren
zum Regeln der Wärmeenergie
des intern rückgeführten verbrannten
Gases oder internen Restes als eine Alternative zu einer externen
AGR für
eine Verbrennungssteuerung eines HCCI-Motors im Mittellastbereich.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Ausdehnen des Mittellastbereiches
eines Motors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
bereit. Genauer wird eine Öffnungsdrosselung
als eine Alternative zu einer externen Abgasrückführung (AGR) verwendet, um etwas
von der Wärmeenergie,
die zu den internen Resten gehört,
die für
eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
und Ladungsverdünnung
notwendig sind, zu dissipieren. Die Öffnungsdrosselung wird erreicht,
indem ein Strömungssteuerventil
in einem Zweig der Einlassleitungen für einen Motor mit zwei Einlassventilen
pro Zylinder angewandt wird. Das Drallsteuerventil, das gegenwärtig in
einem Selbstzündungsmotor
mit geschichteter Ladung und Benzindirekteinspritzung für die Luftbewegungssteuerung
oder -regelung in dem Zylinder verwendet wird, wird hierin als ein
Beispiel benutzt, um dessen Effektivität zu demonstrieren.
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Die
vorliegende Erfindung arbeitet für
alle Ventilstrategien gut. Beispielhaft werden hierin nur Ergebnisse,
die unter Verwendung einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie erhalten
werden, wie sie oben beschrieben wurde, präsentiert. Die verwendete Einspritzstrategie
ist eine Einzelkraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes. Es
wird ein insgesamt mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder erzeugt, indem
der Anteil der Kraftstoff- und Luftmasse, die in den Zylinder gesaugt
wird, gesteuert oder geregelt wird. Mit diesem Ansatz wird die Mittellast-Betriebsgrenze
von etwa 450 kPa NMEP unter Verwendung eines herkömmlichen
Verdichtungsverhältnisses
erreicht, wie es entweder durch einen Druckanstieg oder eine Druckschwingungsamplitude,
die einen vorgeschriebenen Schwellenwert übersteigen, bestimmt wird.
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Es
ist experimentell herausgefunden worden, dass eine Schwankung der
Strömungssteuerungs-Ventileinstellung
oder des Grades an Öffnungsdrosselung
in einem Zweig der Einlassleitungen eine tiefgehende Auswirkung
auf die Verbrennungsrate von Verbrennungsmotoren mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
hat. Im Besonderen nimmt mit abnehmender Strömungssteuerventileinstellung
von Öffnen
nach Schließen
die Spitzenverbrennungsrate ab und die Verbrennungsdauer nimmt zu.
Es ist darüber
hinaus experimentell demonstriert worden, dass die beobachtete Verbrennungsratenabnahme
mit einer Öffnungsdrosselung
nicht durch Änderungen
in der Gemischbewegung, d.h. dem Mischprozess, in dem Zylinder,
wie es ursprünglich spekuliert
wurde, hervorgerufen wird. Tatsächlich sind
die Spitzenverbrennungsrate und Brenndauer für den Fall ohne die Öffnungsdrosselung
und den Fall, bei dem das mit der gedrosselten Öffnung verbundene Einlassventil
deaktiviert ist, gleich.
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Eine
Analyse mit einem eindimensionalen Gasdynamikmodell deckte auf,
dass für
den Fall mit dem geschlossenen Strömungssteuerventil ein großer Anteil
des gesamten rückgeführten verbrannten Gases
in dem Zylinder von der kälteren
gedrosselten Einlassöffnung
(ungefähr
440 Grad K Gastemperatur) eingesaugt wird, anstatt dass es vollständig aus der
heißeren
Auslassöffnung
(ungefähr
740 Grad K Gastemperatur) zurückgesaugt
wird. Dies führt
zu einer niedrigeren Gemischtemperatur beim Einlassventilschließen (IVC),
und somit zu einer verzögerten und
langsameren HCCI-Verbrennung. Die Effektivität der Verwendung einer Öffnungsdrosselung
für das thermische
Management des rückgeführten verbrannten
Gases variiert in Abhängigkeit
von der Öffnungsdrosselungseinstellung.
Der Effekt ist am stärksten,
wenn das Strömungssteuerventil
vollständig
geschlossen ist.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird der Mittellastbereich eines Motors
mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung ausgedehnt,
indem das Strömungssteuerventil
geschlossen wird, um Nutzen aus der maximalen Wärmedissipation des rückgeführten verbrannten
Gases in der gedrosselten Einlassöffnung zu ziehen. Im Besonderen
wird der Mittellastbereich um mehr als 5 % bis etwa 475 kPa NMEP
unter Verwendung eines herkömmlichen
Verdichtungsverhältnisses
mit einem akzeptablen Druckanstieg oder einer akzeptablen Druckoszillationsamplitude
erhöht.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung von bestimmten spezifischen Ausführungsformen der Erfindung
zusammengenommen mit den begleitenden Zeichnungen umfassender verstanden
werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine schematische Ansicht eines Einzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotors
mit Direkteinspritzung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1B ist
eine schematische Draufsicht, die die Ventilanordnung des Motors
von 1A zeigt;
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2 ist
ein Graph von Ventilhubprofilen als eine Funktion des Kurbelwinkels
für Auslass-
und Einlassventile eines Viertaktmotors mit gesteuerter Selbstzündungverbrennung
mit einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie über die
Verwendung eines mechanischen, nockenbetätigten Ventilsystems;
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3 ist
ein Graph von Schwankungen in der Wärmefreigaberate als Funktion
einer Strömungssteuerventileinstellung
unter Verwendung einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie bei
2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20 für einen vollständigen vorgemischten
Motorbetrieb;
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4A veranschaulicht
die Einlasskonfiguration mit Öffnungsdeaktivierung,
die durch Schließung
des Strömungssteuerventils
erreicht wird;
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4B veranschaulicht
eine Einlasskonfiguration mit Einlassventildeaktivierung, die erreicht wird,
indem der Schlepp- oder Schwinghebel des Einlassventils, der mit
der SCV-Öffnung
verbunden ist, beseitigt wird;
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5 zeigt
Graphen von Schwankungen der Wärmefreigaberate
für die
Konfigurationen mit zwei Einlässen,
die in 4 gezeigt sind, zusammen mit dem
Fall SCV offen für
sowohl einen vollständig
vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
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6 zeigt
Graphen von Schwankungen im gemessenen Zylinderdruck während des
Gasaustauschzeitraums für
die in 4 gezeigte Konfigurationen
mit zwei Einlässen
für sowohl
einen vollständig
vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direktein spritzung
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
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7 zeigt
Graphen von Schwankungen in dem gemessenen (Experiment) und berechneten (1-D-Modellierung)
Zylinderdruck während
des Gasaustauschzeitraumsfür
die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilprofilen
für sowohl
einen vollständig
vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
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8 zeigt
Graphen von der berechneten Gasgeschwindigkeit (1-D-Modellierung)
in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der
jeweiligen Einlassventile während
des Gasaustauschzeitraums für
die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen
für Motorbetriebe
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
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9 zeigt
Graphen von der berechneten Restströmungsrate (1-D-Modellierung)
in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der
jeweiligen Einlassventile während
des Gasaustauschzeitraums für
die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen
für Motorbetriebe
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
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10 zeigt
Graphen von dem berechneten Massenrestbruchteil (1-D-Modellierung)
in sowohl SCV- als auch gera den Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der
jeweiligen Einlassventile während
des Gasaustauschzeitraums für
die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen
für Motorbetriebe
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
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11 zeigt
Graphen der berechneten Gastemperatur (1-D-Modellierung) in sowohl SCV- als auch
geraden Einlassöffnungen
2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile während des Gasaustauschzeitraums
für die
untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen
für Motorbetriebe
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20;
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12 zeigt
Graphen des gemessenen Verbrennungsleistungsvermögens als Funktion der Kraftstoffbeaufschlagungsrate
für zwei
SCV-Einstellungen (36 gegenüber
20 Grad) bei 2000 U/min und L/K = 20 für einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung;
und
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13 ist
ein Graph von Schwankungen in der Wärmefreigaberate als Funktion
der Strömungssteuerventileinstellung
und Kraftstoffbeaufschlagungsrate bei 2000 U/min und L/K = 20 für einen
Motorbetrieb mit Direkteinspritzung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Der
Einfachheit halber wird die folgende Beschreibung die vorliegende
Erfindung in ihrer Anwendung auf einen Einzylinder-Viertakt-Benzin verbrennungsmotor
mit Direkteinspritzung richten, obwohl festzustellen ist, dass die
vorliegende Erfindung gleichermaßen auf einen Mehrzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotor
mit Direkteinspritzung oder Kraftstoffeinspritzung in die Einlassöffnung (port-fuel injected)
anwendbar ist.
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Eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist ein Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor 10 mit
Direkteinspritzung, der in 1A gezeigt
ist. In der Figur ist ein Kolben 12 in einem Zylinder 14 bewegbar
und bildet mit dem Zylinder 14 eine Brennkammer 16 mit variablem
Volumen. Ein Einlasskanal 18 liefert Luft in die Brennkammer 16.
Die Strömung
von Luft in die Brennkammer 16 wird durch ein Einlassventil 20 gesteuert.
Verbrannte Gase können
aus der Brennkammer 16 über
einen Auslasskanal 22 strömen, und die Strömung von
verbrannten Gasen durch den Auslasskanal 22 wird durch
ein Auslassventil 24 gesteuert.
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Der
Motor 10 der vorliegenden Erfindung, wie er in 1A gezeigt
ist, weist einen mechanischen, nockenbetätigten Ventiltrieb 26 auf,
der das Öffnen
und Schließen
von sowohl dem Einlassventil 20 als auch dem Auslassventil 24 steuert.
Der Ventiltrieb 26 ist an der Position des Motors 10 festgemacht,
die von einem Rotationssensor 28 gemessen wird. Der Rotationssensor 28 ist
mit einer Kurbelwelle 30 des Verbrennungsmotors 10 verbunden.
Die Kurbelwelle 30 ist durch eine Pleuelstange 32 mit
dem Kolben 12, der sich in dem Zylinder 14 hin-
und herbewegt, verbunden.
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Eine
Benzindirekteinspritzvorrichtung 34, die von einem elektronischen
Controller gesteuert oder geregelt wird, wird dazu verwendet, Kraftstoff
direkt in die Brennkammer 16 einzuspritzen. Die vorliegende
Erfindung ist gegenüber
der Lage der Spitze der Einspritzvorrichtung unempfindlich. Eine
Zündkerze 36,
die ebenfalls von einem elektronischen Controller gesteuert oder
geregelt wird, wird dazu verwendet, die Zündzeitpunktsteuerung oder -regelung
des Motors 10 über
den Motorlastbereich zu erweitern. Obgleich der oben gezeigte einfache
Motor 10 keine Zündkerze 36 für den Betrieb
unter einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung
erfordert, hat es sich als wünschenswert
erwiesen, eine Zündkerze
zu verwenden, um den Selbstzündungsprozess
zu ergänzen,
insbesondere unter Startbedingungen. Es hat sich auch als wünschenswert
erwiesen, auf einer Selbstzündung
nur unter Teillast/Niedergeschwindigkeits-Betriebsbedingungen zu
gründen
und eine Fremdzündung
während
Hochlast/Hochgeschwindigkeits-Betriebsbedingungen zu verwenden.
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1A zeigt
auch ein Strömungssteuerventil 38 gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung. Es ist im Inneren eines Zweiges der
Einlassleitungen 18 für
einen Motor mit zwei Einlassventilen pro Zylinder angeordnet (siehe 1B).
Ein vorhandenes Drallsteuerventil (SCV), das früher für eine Luftbewegungssteuerung
im Zylinder in einem Fremdzündungsmotor
mit geschichteter Ladung und Benzindirekteinspritzung verwendet
wurde, wird hierin als Beispiel verwendet, um die Effektivität der vorliegenden
Erfindung zu demonstrieren. Ein Schließen des Strömungssteuerventils 38 stellt
beispielhaft eine Reservoirkammer innerhalb des Einlasskanals 18 zwischen
dem Strömungssteuerventil 38 und
dem Einlassventil 20 bereit.
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Die
Steuerung oder Regelung der Bewegung des Einlassventils 20 und
des Auslassventils 24 gemäß einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie
(exhaust rebreathing valve strategy) ist in 2 für einen
Viertaktmotor 10 mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
unter Verwendung eines mechanischen, nockenbetätigten Ventilsystems dargestellt.
In der Figur wird das Auslassventil 24 während 720
Grad Rotation der Kurbelwelle 30, d.h. eines Motorzyklus, zwei
Mal geöffnet.
Während
des ersten Öffnungszeit raums
werden verbrannte Gase aus der Brennkammer 16 in den Auslasskanal 22 ausgestoßen. Während des
zweiten Öffnungszeitraums,
werden zuvor ausgestoßene
verbrannte Gase aus dem Auslasskanal 22 zurück in die
Brennkammer 16 zu der gleichen Zeit eingesaugt, wie eine
Luft- oder Kraftstoff/Luft-Ladung durch den Einlasskanal 18 in
die Brennkammer 16 gesaugt wird. Somit wird ein Vermischen
von verbrannten Gasen und einer Luft- oder Kraftstoff/Luft-Ladung
erreicht und die richtigen Bedingungen für eine Selbstzündung werden
gefördert.
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Eine
Selbstzündung
des Gemisches aus verbrannten Gasen, Luft und entweder vorgemischtem oder
direkt eingespritztem Kraftstoff tritt nach einer Verdichtung des
Gemisches während
des Verdichtungstaktes auf. Die Verbrennung des Gemisches bewirkt
dann, dass sich die Gase in dem Arbeitstakt ausdehnen. Dann beginnt
der Viertaktzyklus erneut. Im Besonderen für die untersuchten Motorbetriebsbedingungen
wird das Auslassventil 24 das erste Mal während eines
Motorzyklus bei grob 60 Grad vor dem unteren Totpunkt am Ende des
Expansionstaktes geöffnet. Das Auslassventil 24 wird dann
das erste Mal in der Nähe
des Endes des Ausstoßtaktes
geschlossen. Das Einlassventil 20 wird vor dem Ende des Ausstoßtaktes
geöffnet,
und das Auslassventil 24 wird etwa 30 Grad nach dem Ende
des Ausstoßtaktes
wieder geöffnet.
Das Auslassventil 24 wird nahe des Endes des Ansaugtaktes
wieder geschlossen, während
das Einlassventil 20 ungefähr 60 Grad nach dem Ende des
Ansaugtaktes geschlossen wird.
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3 zeigt
Schwankungen in der Wärmefreigaberate
als Funktion einer Strömungssteuerventileinstellung
unter Verwendung einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20 für einen vollständig vorgemischten
Motorbetrieb. Es wird aus der Figur deutlich, dass die Wärmefreigaberate
gegenüber
Strömungssteuerventil einstellungen
empfindlich ist. Im Besonderen wird das Einsetzen der Zündung stärker verzögert und
die Brenndauer wird stark erhöht,
wenn das Strömungssteuerventil 38 geschlossen
ist.
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Es
wurden Hypothesen vorgeschlagen, hinsichtlich dessen, was eine spätere und
langsamere Verbrennung hervorruft, wenn das Strömungssteuerventil geschlossen
ist: 1) erhöhter
Wärmeverlust
aufgrund einer intensivierten Ladungsbewegung bei geschlossenem
Strömungssteuerventil 38;
und 2) Ladungsspeicherung in der SCV-Öffnung während des Verdichtungstaktes
und einer nachfolgenden Wiederansaugung in den Zylinder während des
Ansaugtaktes des nächsten
Zyklus.
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Wie
es in den 4A und 4B gezeigt ist,
wurden zwei Hardware-Konfigurationen untersucht, um sich diesem
Problem zu widmen. 4A zeigt eine Konfiguration
mit Öffnungsdeaktivierung, die
durch Schließen
des Strömungssteuerventils 38 erreicht
wird; und 4B zeigt eine Ventildeaktivierungskonfiguration,
die durch Entfernen des Schlepp- oder Schwinghebels des Einlassventils 20, der
die Kommunikation mit der SCV-Öffnung
steuert, erreicht wird.
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5 zeigt
Schwankungen in der Wärmefreigaberate
für die
in den 4A und 4B gezeigten
Konfigurationen mit zwei Einlässen
zusammen mit dem Fall SCV offen für sowohl einen vollständig vorgemischten
Motorbetrieb als auch eine Motorbetrieb mit Direkteinspritzung bei
2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20. Das Folgende wird aus der
Figur deutlich. 1) Die Brennraten sind zwischen dem Fall mit dem
offenen Strömungssteuerventil 38 (SCV
90) und dem Fall mit einem deaktivierten Einlassventil 20 identisch.
Dieses Ergebnis beseitigt die erste Hypothese aus einer weiteren
Erwägung,
da die Ladungsbewegung in einem Zylinder stark zwischen den Konfigurationen
mit zwei Einlässen schwankt.
2) Die Tatsa che, dass die Brennraten zwischen einer Öffnungsdeaktivierung
(SCV 20) und einem deaktivierten Einlassventil 20 sehr
unterschiedlich sind, weist in Richtung eines Ladungsspeichereffektes
in den SCV-Kanal. Um diesen Ladungsspeichereffekt in der Einlassöffnung vollständig zu
verstehen, wurde ein Programm für
eine eindimensionale Simulation der Gasdynamik eines Motorzyklus
dazu verwendet, Strömungen
in und aus den Motorzylindern zu berechnen.
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6 zeigt
Schwankungen in dem gemessenen Zylinderdruck während des Gasaustauschzeitraums
für die
in den 4A und 4B gezeigten
Konfigurationen mit zwei Einlässen
für sowohl
einen vollständig
vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20. Diese Daten wurden für die Validierung
des eindimensionalen Gasdynamikmodells verwendet.
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7 zeigt
Schwankungen im gemessenen (experimentell) und berechneten (eindimensionale Modellierung)
Zylinderdruck während
des Gasaustauschzeitraumsfür
die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen
für sowohl
einen vollständig
vorgemischten Motorbetrieb als auch einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20. Es wird aus der Figur
deutlich, dass eine Übereinstimmung
zwischen den gemessenen Zylinderdrücken und den aus dem eindimensionalen
Gasdynamikmodell berechneten Zylinderdrücken äußerst gut ist.
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8 zeigt
die berechnete Gasgeschwindigkeit (eindimensionale Modellierung)
in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen 2 cm oberstromig der
jeweiligen Einlassventile 20 während des Gasaustauschzeitraums
für die
untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusam men mit den Ventilhubprofilen
für Motorbetriebe
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20.
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9 zeigt
die berechnete Restströmungsrate
(eindimensionale Modellierung) in sowohl SCV- als auch geraden Einlassöffnungen
2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile 20 während des
Gasaustauschzeitraums für
die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen
für Motorbetriebe
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20.
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10 zeigt
einen berechneten Massenrestbruchteil (eindimensionale Modellierung)
in sowohl SCV- als auch geraden Einlasskanälen 2 cm oberstromig der jeweiligen
Einlassventile 20 während
des Gasaustauschzeitraumsfür
die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen
für Motorbetriebe
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20.
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11 zeigt
die berechnete Gastemperatur (eindimensionale Modellierung) in sowohl
SCV- als auch geraden Einlassöffnungen
2 cm oberstromig der jeweiligen Einlassventile 20 während des
Gasaustauschzeitraums für
die untersuchten Konfigurationen mit drei Einlässen zusammen mit den Ventilhubprofilen
für Motorbetriebe
bei 2000 U/min, 11 mg/Zyklus und L/K = 20.
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Ergebnisse
der eindimensionalen Modellierung, die in den 8–11 präsentiert
sind, zeigen das folgende: 1) Die Ladung, die in der SCV-Öffnung eingefangen
wurde, hat einen durchschnittlichen Restmassenbruchteil von etwa
38 % (linker Graph in 10). 2) Nach dem Einlassventilöffnen strömt diese
eingefangene Ladung aus der SCV-Öffnung
in die Brennkammer (linker Graph von 9). 3) Die
Temperatur dieser eingefangenen Ladung liegt zwischen 390 und 440
Grad K (linker Graph von 11). Dies
ist etwa 300 Grad K niedriger als die Gastemperatur in der Auslassöffnung (wie
es in 11 angemerkt ist). 4) Wenn das
Auslassventil 24 etwa 390 Grad nach dem oberen Totpunkt
des Verbrennungstaktes wieder geöffnet
wird, wird der SCV-Kanal wieder mit heißerem Gas aus dem Zylinder 14 und
der Auslassöffnung
geladen. Dieses Speichern und dieser Austrag von Restgas in den SCV-Kanal
führte
zu einer Gesamtreduktion der mittleren Ladungstemperatur im Zylinder
zum Zeitpunkt des Einlassventilschließens im Vergleich mit den Fällen mit
offenem SCV und einem deaktivierten Einlassventil 20. Dies
bewirkt einen verzögerten
Zündzeitpunkt,
der in 3 für
den Fall mit geschlossenem SCV gezeigt ist.
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12 zeigt
das gemessene Verbrennungsleistungsvermögen als eine Funktion der Kraftstoffbeaufschlagungsrate
für zwei
SCV-Einstellungen (36 gegenüber
20 Grad) bei 2000 U/min und L/K = 20 für einen Motorbetrieb mit Direkteinspritzung.
Wenn die SCV-Einstellung auf 36 Grad festgelegt ist, nehmen sowohl
der Spitzendruck als auch die maximale Druckanstiegsrate mit zunehmender
Kraftstoffbeaufschlagungsrate zu (obere Kurven von 12).
Bei einer Kraftstoffbeaufschlagungsrate von 13,75 mg/Zyklus entspricht
dies einer Last von 450 kPa NMEP, und die maximale Druckeinstiegsrate
erreicht die Grenze von 50 bar/ms. Durch Schließen des SCV-Ventils werden
sowohl der Spitzendruck als auch die maximale Druckanstiegsrate
stark vermindert. Die Kurbelwinkellage des Spitzendrucks wird ebenfalls
verzögert.
Dies lässt
das Hinzufügen
von zusätzlichen
0,65 mg Kraftstoff (etwa 25 kPa NMEP Last) zu dem Motor 10 zu,
bevor die maximale Druckanstiegsratengrenze wieder überschritten
wird. Diese Mittellast-Betriebsgrenze wird dadurch um etwa 5 Prozent
ausgedehnt.
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13 zeigt
Schwankungen in der Wärmefreigaberate
als eine Funktion der Strömungssteuerventileinstellung
und Kraftstoffbeaufschlagungsrate bei 2000 U/min und L/K = 20 für einen
Motorbetrieb mit Direkteinspritzung. Die Figur stellt darüber hinaus die
Auswirkungen der Strömungssteuerventileinstellung
und Kraftstoffbeaufschlagungsrate auf die Verbrennungsrate bei gesteuerter
Selbstzündung
dar.
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Die
vorliegende Erfindung passt ebenso gut bei anderen Motordrehzahlen
und Ventilstrategien, obwohl die Effektivität der Öffnungsdrosselung auf die Restgaswärmeabstoßung und
somit die HCCI-Verbrennung variieren kann. Im Besonderen sollte die
vorliegende Erfindung bei niedrigerer Motordrehzahl aufgrund der
längeren
verfügbaren
Zeit für
die Wärmedissipation
effektiver sein. Darüber
hinaus kann jede Ventilstrategie, die sich selbst für die Verwendung
der SCV-Öffnung
zur Speicherung und Freigabe von Restgas eignet, Nutzen aus der
vorliegenden Erfindung für
eine Mittellasterweiterung ziehen.
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Die
vorliegende Erfindung kann ausgedehnt werden, so dass sie ein aktives
thermisches Management in sowohl den Einlass- als auch Auslassöffnungen
umfasst. Beispielsweise können
Kühlmittelkanäle in dem
Kopf derart entworfen werden, dass die Wandungstemperaturen von
sowohl den SCV- als auch Auslassöffnungen
gesteuert werden. Dies wird beim Regeln der Temperatur des rückgeführten verbrannten
Gases für
die HCCI-Verbrennung insbesondere im Mittellastbereich helfen.
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Die
vorliegende Erfindung ist gleichermaßen gut auf Verbrennungsmotoren
mit sowohl Vormischung als auch Direkteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung anwendbar,
wie es in den obigen Ausführungsformen
demonstriert wurde.
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Obgleich
das Einlassventil 20 und das Auslassventil 24 in
den obigen Ausführungsformen
mechanisch betätigt
sind, könnten
sie elektrohydraulisch oder elektrisch unter Verwendung einer elektromagnetischen
Kraft betätigt
sein.
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Obwohl
die Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden
ist, ist es einzusehen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Gedankens
und Umfangs des beschriebenen erfinderischen Konzepts vorgenommen werden
könnten.
Dementsprechend soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt
sein, sondern soll den vollen Schutzumfang haben, der durch den
Wortlaut der folgenden Ansprüche
zugelassen wird.
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Zusammenfassung
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Es
ist ein Verfahren zum Ausdehnen des Mittellastbereiches eines Viertaktmotors
mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
offenbart. Der Motor umfasst mindestens einen Zylinder, der einen
Kolben enthält,
der hin- und herbewegbar mit einer Kurbelwelle verbunden ist und eine
Brennkammer mit variablem Volumen bildet, und der ein Einlassventil
umfasst, das die Kommunikation mit einem Lufteinlass steuert, und
ein Auslassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Abgasauslass
steuert. Es wird ein System angewandt, um die Einlass- und Auslassventile
variabel zu betätigen.
Das Ventilbetätigungssystem
ist anwendbar, um die Einlass- und Auslassventile mit einer Abgasrückverdichtungs-
oder einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie zu
betreiben. Eine Reservoirkammer in Verbindung mit der Brennkammer
ist für
ein temporäres Halten
von restlichem verbrannten Gas vorgesehen. Restliches verbranntes
Gas in der Brennkammer und dem Abgasauslass tritt in die Reservoirkammer
ein und verliert dann Wärmeenergie,
während
es sich in der Reservoirkammer befindet, bevor es zurück in die Brennkammer
gesaugt wird.